周智良 王建 张小龙

摘   要：文章以一节全国性的教学比赛获奖课例为例，详细介绍了授课教师设计的五个创新实验，结合《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》，论述了物理教学中如何借力创新物理实验，培养学生的核心素养。

关键词：创新实验;核心素养;涡流

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）7-0001-5

2020年，教育部正式颁布了《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（后文简称为《标准》）。《标准》中提出了“物理学科核心素养”这一名词。物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习而逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力[1]。

观察实验及实验方法是物理学发展的基础，实验既是建立物理概念、探索物理规律、认识物理世界、解决具体问题的最基本的手段，又是验证物理假说、检验物理理论真理性的唯一标准。学生通过观察和实验，感受科学家探索、发现的历程，培养其观察能力、思辨能力和科学探究能力，是物理所独有的学科特征[2]。

在物理实验中，或原理，或器材，或方法，能让之前的实验操作变得更简单，实验现象变得更明显，实验结果变得更准确，更能激发学生的探索兴趣，都可以称之为“创新实验”。在一次全国性的教学比赛中，来自重庆市育才中学的张老师展示了一节题为《涡流 电磁阻尼和电磁驱动》的精彩课例，他借助大量的创新实验，让学生获得了别具一格的学习体验，学科核心素养也得以较好地培养和提升。

1    课例的教材与学情分析

1.1    教材分析

本节选自人教版高中二年级《物理选修3-2》第四章第7节，也是本章的最后一节。学生已经学习掌握了感应电流的产生条件、楞次定律、法拉第电磁感应定律等知识。通过对本节的学习，学生进一步加深对前面知识的理解，教材中包括涡流、电磁阻尼、电磁驱动三部分，从内容上看，側重点是电磁感应现象的实际应用。

1.2    学情分析

高中二年级的学生已经完整地学习了电磁感应中的法拉第电磁感应定律、楞次定律和焦耳定律的相关知识，具备了观察能力与对新奇实验现象的好奇心，具有通过协作完成简单实验、独立思考、交流协作的能力，他们在教师的引导下，可以对涡流、电磁阻尼、电磁驱动实验现象进行理论分析。当然，让学生运用所学知识分析解决实际问题，是一个具有挑战性的任务，有一定的难度。

2    课例创新实验的介绍

2.1    实验一：神奇的鱼

如图1所示，张老师用普通的玻璃自制了一个特殊的“鱼缸”，用透明的竖直隔板将玻璃缸对称地分为两个区，一个区域底部水平放置一铁片，另一区域底部没有铁片，还带着一个拆了螺丝的家用电磁炉。实验时，先向“鱼缸”中注入一定量的水，几尾金鱼置于无铁片的区域，再将“鱼缸”放在电磁炉之上后整体置于讲台上，学生从无铁片区域的侧面观察“鱼缸”。通电加热一段时间至冷水沸腾，学生观察到神奇的现象：金鱼竟然在沸水中逍遥地游来游去。

2.2    实验二：时空隧道

张老师在表演这个魔术时，在讲台上放了几个外形相同的小物体，左手拿着一根一米长的铝管，竖直放置（图2）。老师先让学生用自由落体运动的知识估算物体从静止开始下落通过铝管的时间，接着进行实验，小物体很快就从另一端落出，学生估计了时间，不超过0.5 s。老师又“随手”抓起另一物体从同一位置静止释放，学生惊讶地发现，这个物体过了大约10 s才从管中落出，像穿越了时空隧道一样。

2.3    实验三：隔空移物

张老师特制了一个实验桌，其外形和普通课桌一模一样，里面隐藏着两块能绕竖直轴旋转的超强磁铁，磁铁上方用2 mm厚的有机玻璃贴上木纹纸做成普通桌面的样子。实验时悄悄地用遥控器闭合电路，电机带动两磁铁旋转起来，右手假装在桌面上空施展魔力，学生观察到桌面上的几枚铝制硬币像是被魔法带动了一样，跟着老师的手旋转起来。

2.4    实验四：金属探测仪

张老师带来了育才中学学生的一个小发明，学生根据网上的电路图，用一些电子小元件自制了一个金属探测仪。张老师在演示时，先调节了探测仪的灵敏度，再用金属探头去接触课桌、眼镜、笔等物品。学生发现当探测器接触金属时都发出了啸叫，而且电路中的发光二极管也跟着亮了起来。

2.5    实验五：电磁炮

如图3所示，张老师带来了他自己的科技小制作——电磁炮。一个蓝色的暗箱套住一木制的底座，铁管做成炮管，小铝环是炮弹。张老师实验时先把小铝环套在铁管上，再接通电源，学生观察到在通电的一瞬间，铝环就被弹射出去了。接着，张老师用一捆细铁丝捆成一个铁棒插入铁管，再次将小铝环套在铁管上，接通电源，学生观察到铝环弹出去的距离更远了。

3    创新实验达成核心素养培养目标

在课例中，张老师整合了重庆市育才中学教研团队的集体智慧，通过多次的研讨、制作、整改，设计制作的五个创新实验在这节课的不同阶段各自扮演了举足轻重的角色，得到了充分的展示，五个创新实验给学生、评委和在场观众留下了非常深刻的印象。这五个创新实验对学生能力的培养和素养的提升，都是画龙点睛的精彩之笔。

认真观看课例录像，结合《标准》进行反思，得到了五个创新实验和核心素养培养目标的对应关系，如表1所示。

4    创新物理实验培养学生核心素养

结合对本课例的所看、所听、所想，认为借力创新物理实验培养学生核心素养是新时代创新型人才培养的有效途径。下面将从几个视角分析这些精彩的创新实验是如何培养学生的物理学科核心素养的。

4.1    借力创新物理实验形成物理观念

苏霍姆林斯基在《给教师的建议》一书中指出：“如果老师不想办法使学生产生情绪高昂和智力振奋的内心状态，就急于传授知识，那么这种知识只能使人产生冷漠的态度，而给不动情感的脑力劳动带来疲倦。”当前物理课堂教学的困境之一在于缺乏真实教学情境，阻碍学生形成“ 物理观念”[3]。教材对本节内容的陈述中所提及的器材或仪器有：真空冶炼炉、金属探测器、磁电式仪表、交流感应电动机等，其中的某些器材或仪器很多学生和老师都未见过，大多数老师在课堂上被迫以图片或视频的形式进行教学，真实情境的缺失，除了会令学生难以理解知识、建立观念，久而久之，还会让学生失去学习物理的热情。

张老师称前三个创新实验为“魔术”，悬念重重，极大地激发了学生的学习兴趣和热情，达到了上课伊始趣味顿生的良好效果，学生在这节课中最大限度地发挥了主观能动性去探索新问题，掌握新知识，形成新观念。实验一的铁片中产生了涡流，涡流的热效应使水沸腾;另一区域没有涡流，水依然是冷的，所以金鱼能安然无恙。实验二中的磁性小物体之所以下落缓慢，是因为它处于铝管产生的涡流磁场中，受到了阻碍其下落的安培力，此即是涡流的应用，也是电磁阻尼现象。实验三旋转磁体上方的硬币中产生涡流，电流处于磁场中会受到安培力的作用，因此硬币会跟着磁体旋转起来，此乃电磁驱动现象。学生在张老师很有技巧性的引导下，认真观察，充分讨论，认识和理解了这些来自生活中的涡流、电磁阻尼、电磁驱动等现象，潜移默化地形成了物质观、运动与相互作用观和能量观，对自然和生活中的现象也有了更为充分的理解和认识。

4.2    借力创新物理实验培养科学思维

《标准》中指出：“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。随着技术的发展，一些老师借助计算机模拟来代替实验，优点是方便快捷，有助于分析，结果得来较快，缺点是学生在实验过程中仅停留在视觉上的认识，由于没有亲自动手参与，缺乏对规律的深层认识与理解，科学思维并没有得到有效培养。

张老师设计的“时空隧道”和“隔空移物”两个创新实验，既让学生产生了视觉冲击，又培养了学生的科学思维。两套不同的器材，两种不同的操作，看似彼此冲突的现象，实则本质统一。实验结束后，立即带着学生从物理学的视角去探究、去分析，寻找不同现象的本质属性。最终师生一起推理、论证出在这些现象中都产生了感应电流，都是电磁感应现象的具体应用。需要进一步肯定的是，张老师在课例的后阶段，花了近三分钟辩证地介绍了涡流的一大应用——感应熔炼炉。播放完视频后，张老师先介绍了感应熔炼炉的优点——能在真空中进行，能冶炼出高品质的合金，但我们是不是就因此而大规模地推广这一技术了呢？张老师话锋一转，“不，它的能耗非常大，功率相当于一千盏日光灯……所以，科学技术的发展，给我们带来便利的同时，也带来了能源消耗、环境污染等问题。凡事都有两面，我们要辩证地看待。”非常精彩的设计，质疑和思辨，对立与统一，这正是学生所需要培养的科学思维。张老师设计的创新实验对于学生科学思维的培养，其效果是较为显著的。

4.3    借力创新物理实验让学生学会科学探究

《标准》中还指出：高中物理课程引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，养成科学思维习惯，增强创新意识和实践能力。然而，当前固化的实验教学阻碍学生“科学探究”的发展，实验中教师设计好实验原理、目的、步骤、器材、数据与表格等，学生只需按部就班地進行程序化的实验流程。

张老师设计的五个创新实验，其中三个是演示实验，两个是分组实验。分组实验时，张老师将四套两类器材分配给四组学生，先简短介绍了实验器材，说明了操作注意事项，之后就把器材交给学生，学生较为开放地完成对“神奇的鱼”和“时空隧道”的实验探究。探究过程中，学生是主体，教师只是协助者、参与者。实验一中，学生拆开电磁炉，发现里面有缠在一起的线圈，水之所以沸腾，是因为线圈中变化的电流产生了变化的磁场，铁片相当于若干铁环，变化的磁场使铁环中产生了感应电流。实验二中，两个小物体，一个有磁性能吸引铁质物体，而另一个没有，磁铁下落，铝管就处于变化的磁场中，铝管相当于若干铝环，铝环中产生了感应电流，感应电流再产生磁场，磁铁放入其中，就受到了阻碍其下落的安培力。这些现象和结论，都不是教师强加给学生的，是学生经历了科学探究的整个过程，学到了知识，获得了技能，发展了实验能力，增加了学生之间的交流协作，合作学习有实效，提高了科学探究素养。

4.4    借力创新物理实验强化科学态度与责任

《标准》中强调：高中物理课程要引领学生认识科学的本质以及科学·技术·社会·环境（STSE）的关系，形成科学态度、科学世界观和价值观，为做有责任感的社会公民奠定基础，“科学态度与责任”是学生在认识科学本质的过程中，逐渐形成的一种科学态度和社会责任感。

张老师在这方面也有亮点。一是在演示了学生自制的金属探测仪后，他鼓励在场的学生“你也可以的，原理很清楚，器材很简单，人家能做你也能做啊。”张老师简洁又有力的话语，激发了学生的探索热情和学科担当，使学生成为发现者、探索者、研究者。二是介绍感应熔炼炉时，既介绍了感应熔炼炉的优点，又强调了其带来的能源消耗、环境污染等问题，所以“我们要有可持续发展的意识，要坚持科学发展，做到绿色环保”。这就激发了学生理解科学、技术、社会、环境的关系，增强了学生的社会责任意识。

5    结束语

本节课的亮点还有很多很多，比如张老师语言精练，幽默风趣，引导和鼓励学生，基本功强;两组学生的展示交流非常精彩;本节课师生配合默契，几个学生在课堂结束前的收获总结也非常精辟……

物理基于观察与实验，构建物理模型，应用数学工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系，而创新物理实验是物理学科永葆青春的源泉。物理教学借力于创新物理实验，既能保持学生的求知欲，又能培养学生的核心素养，促进学生创新意识的提高。因此，物理教师应加强教研能力，不断学习，积极创新，收集整理，协作交流，用一个又一个“靓丽”的创新实验为学生的物理学习开启美好的“实验之旅”。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]詹先斌.基于核心素养培养的物理创新实验设计[J].中学物理教学参考，2020，49（10）：67-68.

[3]陆奋立，彭晓春.创新物理实验课堂培养学生核心素养——以电学为例[J].中学物理教学参考，2021，50（12）：1-3.

（栏目编辑    廖伯琴）